劉浩旭，朱劍鋒，饒春義，潘斌杰

(寧波大學(xué)建筑工程與環(huán)境學(xué)院，浙江 寧波 315211)

近年來，隨著發(fā)電廠、人工島嶼、海底隧道開挖以及海堤項(xiàng)目的大規(guī)模興建，波浪荷載循環(huán)剪切作用(包括作用時(shí)與作用后)對(duì)軟土力學(xué)性狀的影響機(jī)理也引起了廣泛關(guān)注。Yasuhara等[1]的動(dòng)三軸試驗(yàn)結(jié)果表明黏土動(dòng)強(qiáng)度隨應(yīng)變發(fā)展而降低。Attila等[2]通過開展循環(huán)直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)正常固結(jié)黏土的動(dòng)強(qiáng)度比與循環(huán)次數(shù)的對(duì)數(shù)之間呈線性關(guān)系。Lee等[3]認(rèn)為循環(huán)加載1 000次以上的動(dòng)強(qiáng)度大約為靜態(tài)強(qiáng)度的20%～50%。Idriss等[4]研究了循環(huán)荷載作用下飽和軟黏土的模量軟化特性，并提出了軟化指數(shù)和軟化系數(shù)的概念。要明倫等[5]通過飽和軟黏土動(dòng)三軸試驗(yàn)修正了Idriss的軟化系數(shù)。ZHOU等[6]根據(jù)杭州軟黏主的動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了綜合考慮超固結(jié)比、循環(huán)應(yīng)力比、頻率等因素的軟化模型。目前，循環(huán)荷載作用下軟黏土模量和強(qiáng)度將發(fā)生衰減基本達(dá)成共識(shí)，然而關(guān)于循環(huán)荷載作用后軟土的力學(xué)特性變化規(guī)律尚未明確。Hicher等[7]認(rèn)為改變主應(yīng)力方向會(huì)影響?zhàn)ね廖⒂^結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起土體強(qiáng)度降低；Yasuhara等[8]發(fā)現(xiàn)主體模量比強(qiáng)度衰減明顯；Esrig等[9]對(duì)密西西比蘭角洲沉積海洋黏土的固結(jié)不排水試驗(yàn)表明，軟黏土未發(fā)現(xiàn)明顯的強(qiáng)度降低。Austin[10]發(fā)現(xiàn)在給定動(dòng)應(yīng)力水平下，經(jīng)歷循環(huán)荷載后試樣強(qiáng)度略微增長(zhǎng)。沈揚(yáng)等[11]對(duì)杭州原狀軟黏土空心圓柱扭剪結(jié)果表明，試樣抗剪強(qiáng)度受主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)影響不明顯。王淑云等[12]、黃博等[13]、郝鑫[14]等研究認(rèn)為，循環(huán)振動(dòng)作用后的黏土強(qiáng)度是否衰減取決于應(yīng)變和孔壓是否超過閾值。

在進(jìn)行海濱發(fā)電廠建設(shè)時(shí)，通常采用盾構(gòu)法來修建多條循環(huán)水輸水隧道。盾構(gòu)施工會(huì)產(chǎn)生土層的擾動(dòng)，改變土體的初始平衡狀態(tài)，從而引起不同程度的沉降變形[15-17]。林存剛等[18]認(rèn)為盾構(gòu)施工對(duì)周圍土體的擾動(dòng)、堤頂車輛對(duì)土體施加的循環(huán)荷載及降雨等共同作用使盾構(gòu)在大堤下施工引起的地表沉降更大。雖然在陸域軟土中盾構(gòu)施工擾動(dòng)研究已有大量研究[19-23]。然而，海洋軟土中盾構(gòu)施工的擾動(dòng)效應(yīng)仍處于探索階段。李玲玲等[24]對(duì)進(jìn)排水盾構(gòu)隧道穿越新建海堤進(jìn)行了有限元模擬，結(jié)果表明：網(wǎng)格式盾構(gòu)法施工對(duì)周圍土體產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，為保證施工過程中海堤穩(wěn)定，建議在穿越海堤階段盾構(gòu)施工速度宜控制在7 環(huán)/d；徐學(xué)勇等[25]開展了盾構(gòu)穿越海堤過程中海堤沉降變形和整體抗滑穩(wěn)定性的數(shù)值分析，結(jié)果表明：受盾構(gòu)管道穿越施工擾動(dòng)的影響，穿越位置處海堤的整體抗滑穩(wěn)定系數(shù)略有降低。上述研究?jī)H考慮了盾構(gòu)施工對(duì)周圍土層的擾動(dòng)作用，尚未分析波浪對(duì)海堤的下臥軟土產(chǎn)生的循環(huán)剪切作用以及二者的耦合效應(yīng)。

鑒于盾構(gòu)施工引起的擾動(dòng)主要由土體損失引起[21-23]，本文以降圍壓方式[26-27]模擬盾構(gòu)施工過程中地層損失引起的應(yīng)力釋放，以長(zhǎng)期循環(huán)剪切試驗(yàn)?zāi)M波浪荷載的作用，開展波浪和盾構(gòu)施工耦合作用空心圓柱扭剪試驗(yàn)，分析耦合作用后軟黏土的強(qiáng)度和剛度的變化規(guī)律，揭示盾構(gòu)施工和波浪荷載耦合作用下土體弱化機(jī)理。

1 試驗(yàn)儀器與試驗(yàn)土樣

本次試驗(yàn)采用浙江大學(xué)5 Hz空心圓柱扭剪儀(Hollow Cylinder Apparatus 簡(jiǎn)稱HCA)，如圖1所示，對(duì)空心圓柱試樣獨(dú)立施加軸向力W、扭矩MT、內(nèi)壓力Pi、外壓力Po，這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行獨(dú)立控制來實(shí)現(xiàn)主應(yīng)力軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)等復(fù)雜的試驗(yàn)應(yīng)力路徑[28]。采用線彈性假定計(jì)算軸向應(yīng)力、徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力，采用線彈性模型和理想塑性模型的平均值來計(jì)算扭剪應(yīng)力。相應(yīng)的應(yīng)變分量豎向應(yīng)變、徑向應(yīng)變、環(huán)向應(yīng)變及扭剪應(yīng)變?nèi)绫?所示。

圖1 空心圓柱試樣受力示意圖Fig.1 Stress state of the hollow cylinder specimens

本次試驗(yàn)土樣取自杭州某基坑工程項(xiàng)目原狀淤泥質(zhì)黏土，取土深度為地表底下5～6 m處，試樣尺寸為200 mm(高度)×100 mm(外直徑)×60 mm(內(nèi)直徑)。具體物理參數(shù)如表2所示。

表1 HCA中各應(yīng)力及應(yīng)變分量計(jì)算式Table1 Each stress and strain calculation formula in HCA

式中：ri—試樣內(nèi)徑/mm；ro—試樣外徑/mm；H—試樣高度；z—豎向變形；ui—試樣內(nèi)徑變形；uo—試樣外徑變形。

表2 原狀土的物理指標(biāo)Table 2 Basic parameters of the intact clay

制樣時(shí)參考文獻(xiàn)[29]的方法：先切取試塊的內(nèi)心，試塊的外部則用膠帶紙進(jìn)行保護(hù)。內(nèi)壁切好之后再用切土刀進(jìn)行精修，最后修剪試樣的外壁。通過這一改進(jìn)可以進(jìn)一步減小制樣過程對(duì)土樣的擾動(dòng)，并可以提高試樣尺寸的精度。制備完成和剪切結(jié)束的原狀試樣如圖2所示。

圖2 HCA試樣Fig.2 Hollow cylinder clay specimens

2 試驗(yàn)方案與假設(shè)

2.1 基本假定

(1)波浪荷載可以簡(jiǎn)化等波長(zhǎng)、等幅度的無限延長(zhǎng)的簡(jiǎn)諧波，假設(shè)土體為半無限各向同性彈性體，其正應(yīng)力偏差與剪應(yīng)力所形成的循環(huán)偏應(yīng)力幅值保持不變，主應(yīng)力方向發(fā)生連續(xù)旋轉(zhuǎn)，應(yīng)力路徑為圓形。

(2)忽略海堤填筑前軟土地基受波浪長(zhǎng)期作用的影響，假定海堤填筑完成后下臥軟土完全等向固結(jié)(受試驗(yàn)儀器條件和對(duì)象強(qiáng)度較低的限制，不等向固結(jié)時(shí)土樣易產(chǎn)生較大的徑向變形)。

(3)盾構(gòu)工程施工過程中造成的地表沉降主要由地層損失引起，因此可通過降圍壓的方式模擬盾構(gòu)施工地層損失，并與波浪荷載耦合。

2.2 試驗(yàn)方案

現(xiàn)分別以地表以下4 m、8 m以及12 m的單元體作為計(jì)算單元，考慮到海堤自重的影響，分別取初始圍壓為100 kPa(z=4 m)、200 kPa(z=8 m)以及300 kPa(z=12 m)的軟土單元體來研究。當(dāng)試樣安裝完成后，對(duì)試樣分別施加100，200，300 kPa的等向固結(jié)壓力，當(dāng)試樣固結(jié)穩(wěn)定后，在循環(huán)剪切的同時(shí)逐步降低圍壓至設(shè)計(jì)值(整個(gè)過程約40 s)，對(duì)試樣循環(huán)剪切3 000次后，再利用空心圓柱扭剪儀進(jìn)行靜力不排水三軸剪切試驗(yàn)，測(cè)定波浪荷載和盾構(gòu)施工耦合作用后的軟土強(qiáng)度與剛度(初始彈性模量)。循環(huán)剪切試驗(yàn)采用應(yīng)力控制方式，為方便施加荷載，不同深度處軟土單元的動(dòng)剪應(yīng)力幅值(τdmax)統(tǒng)一取為15 kPa[30]，頻率為0.5 Hz[31-32]，不排水三軸剪切采用應(yīng)變控制方式，軸向變形速率0.1 mm/min，按0.05%/min的應(yīng)變速率計(jì)算，最大到15%。整個(gè)試驗(yàn)過程中試樣始終處于完全飽和狀態(tài)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 盾構(gòu)施工和波浪荷載耦合作用前后土體特性

在原狀土(δ=0)、不同地層損失率(δ=10%,20%,30%)以及3 000次波浪循環(huán)荷載(τdmax=15 kPa，f=0.5 Hz)作用下，不同土體埋深單元體試樣的偏應(yīng)力q(=σ1-σ3)和軸向應(yīng)變?chǔ)舲之間的關(guān)系曲線見圖3，其中σ3o表示原始圍壓。由圖3可知：

(1)各工況下單元體試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈雙曲線分布，且圍壓越大，初始切線斜率越大，軟土的強(qiáng)度越高。

圖3 盾構(gòu)施工和波浪荷載耦合作用前后軟黏土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Relationship between stress and strain before and after the coupled effect of shield construction and sea wave loads

(2)隨著盾構(gòu)施工擾動(dòng)程度(地層損失率)的增大，各圍壓下的軟黏土應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始斜率逐漸降低，峰值強(qiáng)度逐漸減小。

3.2 盾構(gòu)施工和波浪荷載耦合作用對(duì)軟黏土強(qiáng)度的影響

由圖3試驗(yàn)結(jié)果可得到不同圍壓下的波浪循環(huán)荷載與盾構(gòu)施工耦合作用前后的軟黏土的主應(yīng)力值(表3)，其中σ3u為不同地層損失對(duì)應(yīng)的最終圍壓。

利用Excel中的規(guī)劃求解功能可繪出由不同圍壓情況下的莫爾應(yīng)力圓以及強(qiáng)度包絡(luò)線，進(jìn)而獲得不同程度下的盾構(gòu)施工擾動(dòng)度和3 000次波浪荷載作用后的軟黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：

(1)軟黏土的內(nèi)摩擦角(φ)隨施工擾動(dòng)度增加呈非線性遞減。出現(xiàn)上述現(xiàn)象由于盾構(gòu)施工影響和波浪循環(huán)往復(fù)的荷載使軟黏土顆粒之間很容易因滑動(dòng)或錯(cuò)動(dòng)而形成剪切面，降低了土體內(nèi)部的平均顆粒粗糙程度，從而進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)摩擦角φ的減小。

表3 不同圍壓下的主應(yīng)力值Table 3 Principal stress under different confining pressures

圖4 盾構(gòu)施工和波浪荷載耦合作用前后軟黏土抗剪強(qiáng)度Fig.4 Shear strength parameters before and after the different coupled effects of shield construction and sea wave loads

(2)軟黏土的黏聚力(c)在初始階段急劇下降(δ=10%且N=3 000次)，之后c減小幅度逐漸放緩，趨于平穩(wěn)狀態(tài)(此時(shí)軟土結(jié)構(gòu)性基本完全破壞)。c在土體剛受到擾動(dòng)時(shí)下降最為明顯，而隨盾構(gòu)施工和波浪荷載影響程度的進(jìn)一步增加呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。這是因?yàn)轲ね令w粒間被膠結(jié)物所黏結(jié)，軟黏土在盾構(gòu)施工與波浪循環(huán)往復(fù)荷載作用下，軟黏土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)逐漸遭到破壞，直至達(dá)到重塑狀態(tài)。

3.3 盾構(gòu)施工和波浪荷載耦合作用對(duì)軟黏土剛度的影響

為進(jìn)一步研究盾構(gòu)施工和波浪荷載耦合作用對(duì)軟黏土剛度的影響規(guī)律，現(xiàn)采用Kondner等[33]提出的雙曲線方程來描述任意狀態(tài)下軟黏土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系：

(1)

式中：σ1，σ3——最大和最小主應(yīng)力；

ε1——最大主應(yīng)變。

在常規(guī)三軸試驗(yàn)中，式(1)可寫成：

(2)

由于常規(guī)試驗(yàn)中σ2=σ3，且均為常量，因此土體初始切線模量(Ei)即為：

(3)

參考Duncan等[34]提出的計(jì)算方法，可得：

(4)

式中下標(biāo)95%和下標(biāo)70%分別代表當(dāng)(σ1-σ3)等于軟黏土強(qiáng)度(σ1-σ3)f的90%和70%時(shí)有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。(σ1-σ3)ult為雙曲漸進(jìn)線對(duì)應(yīng)的極限偏差應(yīng)力，且：

(σ1-σ3)ult=1/b

(5)

將圖3中的試驗(yàn)結(jié)果代入式(4)可得盾構(gòu)施工和波浪荷載耦合作用后的軟黏土的剛度(初始切線模量Ei)，如表4和圖5所示。

表4 不同工況下軟黏土的Ei值Table 4 Values of Ei under different experimental conditions for soft clay

由圖5可知，在相同的波浪荷載循環(huán)剪切次數(shù)下，不同圍壓下的軟黏土初始模量(Ei)均呈現(xiàn)下述規(guī)律：土體損失率(δ)越大，Ei越小，且二者近似呈線性關(guān)系。這主要是由于波浪與盾構(gòu)耦合作用后，軟黏土的結(jié)構(gòu)性遭到破壞，剛度顯著降低。通過計(jì)算不同工況下軟黏土的Ei衰減幅度可以看出，在不同圍壓下，隨著δ的增加，Ei衰減幅度逐漸增加，且圍壓越大，衰減幅度越大(最大達(dá)到了37.56%)。與此同時(shí)，各圍壓下，當(dāng)δ從0增加到10%時(shí)，Ei衰減幅度最大，分別達(dá)到了12.91%、13.43%以及19.27%。由此可見，在實(shí)際工程中，盾構(gòu)剛開始施工階段對(duì)土體的擾動(dòng)影響最為顯著。

綜上，原狀軟土強(qiáng)度明顯高于擾動(dòng)軟土，且盾構(gòu)施工擾動(dòng)程度越大(即δ越大)，土體的強(qiáng)度降低越多。主要原因在于：一方面盾構(gòu)施工引起的應(yīng)力釋放會(huì)降低周圍土體的圍壓，破壞土體的結(jié)構(gòu)性，進(jìn)而降低土體的強(qiáng)度與剛度，另一方面波浪荷載的長(zhǎng)期循環(huán)剪切作用也會(huì)引起軟土強(qiáng)度與剛度的衰減，由此可以看出盾構(gòu)施工和波浪荷載的耦合擾動(dòng)效應(yīng)不容忽視。

4 結(jié)論

(1)在不同的耦合擾動(dòng)作用下，軟黏土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均近似呈雙曲線，且土的變形能力隨圍壓變大而增強(qiáng)；在同一圍壓下，土體強(qiáng)度隨波浪荷載和盾構(gòu)施工擾動(dòng)的增大而減小。

(2)隨著盾構(gòu)施工影響和波浪循環(huán)往復(fù)作用，軟黏土顆粒之間很容易因滑動(dòng)或錯(cuò)動(dòng)而形成剪切面導(dǎo)致平均顆粒粗糙程度下降，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角φ的降低。

(3)隨著盾構(gòu)施工的影響的增大，黏聚力c在土體剛受到施工擾動(dòng)時(shí)下降最為明顯，而在施工影響進(jìn)一步加大時(shí)，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。黏土顆粒間可以被膠結(jié)物所黏結(jié)，軟黏土在循環(huán)往復(fù)的荷載作用下，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)受到進(jìn)一步的破壞。

(4)在波浪循環(huán)荷載和盾構(gòu)施工的耦合擾動(dòng)效應(yīng)下，軟黏土的初始模量呈現(xiàn)線性降低，盾構(gòu)施工和波浪荷載的耦合擾動(dòng)效應(yīng)不容忽視。

(5)現(xiàn)實(shí)海洋工程中，波浪循環(huán)荷載將長(zhǎng)期對(duì)建筑物造成影響。本文僅考慮同一波浪頻率、動(dòng)剪應(yīng)力幅值以及某一循環(huán)作用次數(shù)下不同土體損失對(duì)軟黏土的影響規(guī)律，關(guān)于同一土體損失不同波浪頻率、動(dòng)剪應(yīng)力幅值以及循環(huán)剪切的次數(shù)對(duì)土體的性狀的研究有待進(jìn)一步展開。